НЕЙТРОННО-ФИЗИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ АКТИВНОЙ ЗОНЫ ПРИ РАБОТЕ РЕАКТОРА НА МОЩНОСТИ
4.1. РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ЭНЕРГОВЫДЕЛЕНИЯ В АКТИВНОЙ ЗОНЕ
Распределение энерговыделения в активной зоне характеризуется коэффициентами неравномерности энерговыделения, знание которых необходимо для определения допустимой тепловой мощности реактора (см. § 5.3).
Принято рассматривать коэффициенты неравномерности энерговыделения по радиусу, высоте и объему активной зоны. По определению коэффициент неравномерности энерговыделения по радиусу активной зоны равен:
(4.1)
где Q — средняя и максимальная мощности ТВС в активной зоне (обычно индексом i конкретизируют местоположение максимально энергонапряженной ТВС в активной зоне — расчетный номер, координата).
Для реакторов с борным регулированием максимальное значение k-мaкc колеблется в пределах 1,2 —1,4, а для реакторов с регулированием механическими органами СУЗ—в пределах 1,5 — 2,1.
Малая неравномерность энерговыделения в реакторах с борным регулированием позволяет снять с активной зоны большую тепловую мощность. Коэффициенты неравномерности энерговыделения в активной зоне рассчитывают на ЭВМ (kмакс) на всю предстоящую кампанию (см. § 7.2). Экспериментальныe значения относительной мощности ТВС kr/i определяют на основе измерений температуры воды на выходе из ТВС и температуры теплоносителя на входе в реактор. Значения относительной мощности ТВС рассчитывают по формуле
(4.2)
где tвых—температура воды на выходе из i-й ТВС; tbx—температура воды на входе в реактор из j- й циркуляционной петли; Gj— массовый расход в j-й циркуляционной петле; gi — массовый расход в i-й ТВС; т— число циркуляционных петель; п — число ТВС в активной зоне.
Для измерения температуры воды на выходе из ТВС ВВЭР оснащены системой температурного контроля. Измерение температуры осуществляется термопарами, которые достаточно работоспособны в широком диапазоне температур в условиях нейтронного и у-облучения. Наиболее широко используются хроме-лькопелевые и платино-платинородиевые (10% Rh) термопары. В ВВЭР-440 контролируется температура воды на выходе около двух третей ТВС всей активной зоны, а в ВВЭР-1000 — на выходе всех кассет. Температура воды на входе в активную зону измеряется в циркуляционных петлях. В зависимости от паровой нагрузки парогенераторов, числа работающих петель, гидравлического сопротивления возможны некоторые отклонения входной температуры по петлям. В практических расчетах температура воды на входе в активную зону принимается равной усредненному значению по всем работающим петлям реактора. При усреднении учитывается разница в расходе воды по петлям.
Расход теплоносителя через ТВС активной зоны определяют, исходя из гидравлических характеристик ТВС (см. § 5.2). Мощность ТВС в условиях эксплуатации рассчитывают по коэффициентам неравномерности энерговыделения при известной средней мощности ТВС активной зоны. Распределение энерговыделения по высоте активной зоны обычно получают расчетом на всю кампанию (см. § 7.2). Экспериментальное распределение энерговыделения определяют в специальных измерительных каналах с помощью датчиков системы внутриреакторного контроля. В активную зону ВВЭР-440 устанавливают от 12 до 36 измерительных каналов. Измерительный канал представляет собой трубку из нержавеющей стали с заглушенным нижним концом, проходящую через крышку реактора в центральную трубку рабочей ТВС. В кассетах ВВЭР-1000 V блока НВАЭС детекторы системы внутриреакторного контроля (ВРК) размещаются не в центральной трубке, а в специальном канале замера энерговыделения; имеется 31 измерительный канал, подключенный к системе ВРК (см. рис. 3.11).
Распределение плотности нейтронного потока и энерговыделения по высоте измеряют активационными и эмиссионными детекторами, а также ионизационными камерами [45]. В качестве активационных детекторов используют калиброванные медные проволоки с постоянной массой на единицу длины. Проволоку облучают в измерительном канале в течение времени, достаточного для насыщения изотопом 64Сu, после чего извлекают из активной зоны и выдерживают некоторое время для распада короткоживущих изотопов меди. Измеренное после этого распределение активности по длине проволоки будет соответствовать распределению плотности нейтронного потока по высоте измерительного канала в момент облучения проволоки.
В ВВЭР широко используются эмиссионные детекторы — детекторы прямой зарядки (ДПЗ). Принцип действия ДПЗ основан на возникновении электрического потенциала в детекторе, состоящем из эмиттера и коллектора, при распаде нейтронно-чувствительного эмиттера. Обычно в качестве эмиттера ДПЗ используются родий и ванадий.
ДПЗ имеют небольшие размеры и достаточно простые вторичные приборы. Недостатком детекторов прямой зарядки является довольно большая их инерционность. В серийном ВВЭР-440 в каждый измерительный канал устанавливается по четыре родиевых ДПЗ длиной по 250 мм и один ванадиевый ДПЗ длиной 2500 мм. Родиевые детекторы предназначены для измерения распределения плотности нейтронного потока по высоте канала, а ванадиевый — для измерения полной нейтронной мощности в канале. Кроме того, распределение плотности нейтронного потока по высоте может быть измерено при перемещении ДПЗ по длине канала.
При практическом контроле условий работы тепловыделяющих элементов необходимо знать распределение энерговыделения, соотношение которого с распределением плотности потока тепловых нейтронов изменяется по мере выгорания топлива. В начальный момент выгорания плотность потока нейтронов и удельное энерговыделение связаны соотношением
(4.3)
где
— сечение деления
-начальная концентрация ядер
235U.
При учете накопления 239Pu и 241Pu и выгорания 235U соотношение (4.3) принимает вид
(4.4)
где и σf — сечения деления 239Pu и 241Pu; Ν25, Ν39 и W41 концентрация ядер 235U, 239Рu и 241Рu соответственно.
Для перехода от измеренного распределения плотности потока тепловых нейтронов к распределению энерговыделения необходимо производить пересчеты, выполняемые, как правило, на ЭВМ и учитывающие выгорание 23SU и накопление изотопов плутония. С этой целью информация от ДПЗ вводится в ЭВМ, которая обеспечивает оперативную переработку данных и информацию оператора о результатах измерений с учетом выгорания эмиттера ДПЗ. Для упрощения расчетных программ информационных (управляющих) электронно-вычислительных машин желательно применять помимо детекторов, измеряющих плотность потока тепловых нейтронов, детекторы, показания которых характеризуют непосредственно энерговыделение в окружающих канал твэлах. Энерговыделение в твэлах однозначно характеризуется плотностью потока быстрых или резонансных нейтронов, которую можно измерять с помощью модернизированных ДПЗ или ионизационных камер. Например, ДПЗ с эмиттером из серебра, окруженный кадмиевой оболочкой для отсечения тепловых нейтронов, регистрирует в основном плотность потока резонансных нейтронов, которая в конечном счете пропорциональна энерговыделению в окружающих твэлах.
Уменьшение коэффициентов неравномерности по радиусу кмакс и высоте кгмакс и объемного коэффициента неравномерности
имеет большое практическое значение с точки зрения возможности увеличения мощности реактора и глубины выгорания топлива. Поэтому на ВВЭР непрерывно проводятся работы по выравниванию мощности.
В ВВЭР используется зонный принцип комплектации загрузок (см. § 7.1), который позволяет выравнивать энерговыделение по радиусу активной зоны и в сочетании с борным регулированием уменьшать объемную неравномерность энерговыделения.
В процессе выгорания топлива происходит дополнительное самовыравнивание энерговыделения, обусловленное неравномерностью выгорания, пропорционального энерговыделению, и неравномерностью проявления эффекта отравления и мощностного эффекта реактивности. Значения коэффициентов неравномерности в течение работы загрузки уменьшаются. Некоторое увеличение коэффициентов неравномерности в конце кампании обусловлено постепенным извлечением из активной зоны управляющей группы СУЗ (рис. 4.1). Особенно сильно от наличия частично погруженных стержней СУЗ зависит распределение энерговыделения по высоте (рис. 4.2) [9].
Рис. 4.1. Изменение коэффициентов неравномерности энерговыделения при работе первой загрузки ВВЭР-440 IV блока НВАЭС (кривые — расчетные данные; точки—экспериментальные данные)
Рис. 4.2. Зависимость высотного коэффициента неравномерности энерговыделения от высоты извлечения механических органов СУЗ с различной интегральной эффективностью
при косинусоидальном распределении энерговыделения по высоте активной зоны)
Наименьшую неравномерность создает извлечение из активной зоны «легких» групп.
Эксперименты по изучению поля энерговыделения выявляют детали, ускользающие при серийных расчетах (рис. 4.3).
В заключение отметим, что выравнивание энерговыделения увеличивает вероятность возникновения ксеноновых колебаний (см. § 4.3). Ксеноновые колебания — это эффект периодического перераспределения мощности по объему активной зоны, вызываемого обратной связью между мощностью и концентрацией 135Хе.
В ВВЭР-440 вероятность ксеноновых колебаний мала, и если такие колебания возникают, то они имеют апериодический характер, малую амплитуду и быстро затухают.
Отличительной особенностью ВВЭР-1000 является возможность возникновения пространственных ксеноновых колебаний мощности
Рис. 4.3. Распределение энерговыделения по высоте измерительного канала ВВЭР-440 III блока НВАЭС:
1 — расчет; 2—измерения; канал в ячейке 13 — 30; мощность в реакторе 55%; высота извлечения 12-й группы 127 см; Сн3во3 =2,79 г/кг Н2О
Рис. 4.4. Осевое распределение плотности потока нейтронов в ВВЭР-1000 в режиме изменения нагрузки:
а — мощность реактора 100%, стержни регулирования извлечены из активной зоны; б—мощность реактора снижена до 50%, стержни регулирования опущены на высоту активной зоны, равную 0,4 На.э.; в — мощность реактора увеличена до 100% после работы на уровне мощности 50% в течение 5,3 ч в объеме активной зоны.
Рис. 4.5. Схема движения стержней управления У для подавления пространственных ксеноновых колебаний по высоте активной зоны ВВЭР-1000
Вероятность возникновения ксеноновых колебаний возрастает с увеличением размеров реактора в случае возмущений в распределении мощности. Наибольшие возмущения поля в ВВЭР-1000 возникают в режиме работы с изменением уровня мощности, например снижение мощности со 100 до 50% на некоторое время с последующим подъемом до 100% (рис. 4.4). На рисунке четко выражено возникновение деформации в осевом распределении нейтронного потока, вызванное переходными процессами на ксеноне и перемещением органов регулирования СУЗ.
По-видимому, в ряде случаев для уменьшения размеров возмущения в распределении мощности целесообразно стержни регулирования полностью опускать, а их влияние компенсировать изменением концентрации борной кислоты на все время работы реактора на пониженной мощности.
Составной частью системы управления ВВЭР-1000 является достаточно развитая система внутриреакторного контроля, обеспеченная машинной обработкой результатов. Оперативная информация о распределении мощности по активной зоне позволяет своевременно скорректировать начавшиеся деформации полей. Радиальные и азимутальные деформации распределения мощности могут быть исправлены извлечением или опусканием определенных групп поглотителей. Высотные деформации можно исправлять с помощью специально предусмотренной для этой цели группы управляющих стержней У с половинной высотой поглощающего вещества, перемещая их по высоте активной зоны (рис. 4.5).
